为了研究超短激光脉冲与双液滴相互作用过程中的光学击穿和等离子体分布, 基于麦克斯韦方程组和电离速率方程, 构建了飞秒激光与双液滴的瞬态耦合模型, 使用有限元分析方法, 对飞秒激光辐照微米量级双液滴的自由电子密度和光场分布进行了计算, 得到了双液滴结构对液滴光学击穿和等离子体变化的影响。结果表明, 第2个液滴的击穿阈值约为同等条件下单液滴击穿阈值的35%; 等离子体的形态和击穿点的位置随双液滴间距发生变化, 且在聚焦区域产生纳米等离子体射流; 第2个液滴对激光能量的吸收随着双液滴间距的增加而减少; 当分别使用满足击穿阈值的光强入射, 双液滴吸收的能量约为单液滴的3%; 第2个液滴对激光能量的吸收随光强增大而增大, 能量吸收比例最终趋于0.01, 仅为单液滴的1.5%。该研究为激光诱导水击穿和激光在大气中的传输提供了一定的参考。
大气光学 双液滴 光学击穿 激光等离子体 能量损耗 atmospheric optics double droplets optical breakdown laser plasma energy losses
强激光与粒子束
2021, 33(11): 111007
1 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 陕西 西安710049
2 西安交通大学第二附属医院眼科, 陕西 西安 710004
纳米金颗粒可以有效增强激光诱导光学击穿效应,但不同脉冲激光下激光诱导光学击穿的机理不同。为了从微观角度揭示纳秒和飞秒激光照射纳米金颗粒过程中颗粒内部的光热转换和环境介质的变化,建立了脉冲激光加热水介质中纳米金棒的电子-声子双温度模型,结合实验研究,分析了不同激光能量密度和脉冲宽度对光热转换过程的影响,以及纳米金棒微观熔化特性的差异。结果显示,纳秒和飞秒激光照射下纳米金棒内部的电子和晶格温度的变化趋势基本一致。飞秒激光照射时纳米金棒的熔化阈值约为纳秒激光照射时的1%,纳秒激光照射时纳米金棒周围的水温更高。飞秒激光照射时纳米金棒形貌的改变主要以机械碎裂为主,而纳秒激光作用下则主要以热致纳米金棒熔化为主。
激光技术 纳米金棒 激光诱导光学击穿 光热效应 电子-声子双温度模型 中国激光
2021, 48(22): 2202014
西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710049
利用等离子体成像、散射光检测技术综合研究了聚焦的纳秒激光在去离子水和24 nm粒径的金纳米球溶液中的光致击穿现象。随着激光能量的增加,强击穿过程中产生的明亮等离子体区域增大,且沿轴向逐渐产生多个明亮等离子体区域,即多点击穿;同时,产生的明亮等离子体区域沿光轴方向的延伸具有不对称性,低浓度的金纳米球溶液中更加明显。弱击穿通常只发生在激光能量比较低的情况中,激光能量到达一定阈值时,只出现强击穿。低浓度的金纳米球溶液能显著降低光致击穿所需的最低能量;而金纳米球浓度增加,光致击穿所需能量增加。与去离子水中相比,金纳米球溶液中的光致击穿更容易获得亚微米尺度的空化气泡,且产生的空泡尺寸更加稳定。
激光技术 光致击穿 散射光检测 金纳米球
1 桂林电子科技大学信息与通信学院,广西 桂林 541004
2 桂林航天工业学院电子工程系,广西 桂林 541004
3 海军工程大学电子工程学院,湖北 武汉 430033
构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器。分析了激光声信号的时频域数学模型,通过实验对单个激光声信号的时频域特征进行了研究,对激光声通信的信号调制方式进行了理论分析和实验验证。研究结果表明:激光声信号的脉宽约为20 μs,其能量主要集中在200 kHz内,这其中100~200 kHz内的能量占到的比例大约有50%,通过对激光声信号进行幅度调制和频率调制,可以有效实现激光声通信过程。
激光声信号 光击穿 频谱 声信号 laser-induced acoustic signal optical breakdown spectrum acoustic signal
1 贵州师范学院物理与电子科学学院, 贵州 贵阳 550018
2 贵州大学贵州省光电子技术与应用重点实验室, 贵州 贵阳 550025
利用调Q的Nd:YAG激光器输出的1064 nm纳秒脉冲激光聚焦在石英上采用激光诱导等离子体法加工微通道,加工出的微通道在显微镜下没有观察到热裂纹,通道深度可达4 mm。强激光辐照石英,石英吸收激光能量气化、电离,形成等离子体,发生光学击穿,高温等离子体烧蚀石英形成微通道。研究了强激光辐照下等离子体形成的机理以及介电常数、折射率、反射率等光学性质,分析了光学击穿的关键自由电子密度,并计算了光学击穿长度。
激光技术 激光诱导等离子体 微通道 光学击穿 自由电子密度 激光与光电子学进展
2013, 50(11): 111403
海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
分析了激光声信号的理论模型。建立了研究不同水深条件下激光声特性的实验平台。研究结果表明:当水体深度在0~100 m范围内逐渐增加时,激光声信号的两个相邻主峰时间间距越来越小;激光等离子体声波的峰值声压逐渐减小;空泡首次溃灭声波的峰值声压在0~20 m范围内逐渐增加,在20~100 m范围内逐渐减小;空泡溃灭声波峰值个数减少。
激光光学 空化噪声 光致击穿 激光声 中国激光
2013, 40(11): 1102002
海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
分析了激光击穿水介质时的能量分布情况,给出了相应的能量计算方法。构建了研究激光击穿水介质能量分布的实验系统,利用高速摄像机对激光击穿水介质过程中的冲击波辐射、空泡脉动等现象进行了记录,得到了冲击波速度以及空泡尺寸等参数。利用水听器对远场声波信号进行了测量。研究结果表明:激光击穿水介质的过程中,大部分激光能量转换成了冲击波和空泡能量,两者占到的比例为60%~90%;激光能量的改变对激光击穿水介质的能量分布影响不大;当激光会聚角增加时,冲击波和空泡能量变大,同时透射激光能量减小。
激光光学 水下光击穿 高速摄影 激光空泡 中国激光
2013, 40(10): 1002007
构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器。分析了激光声信号的时频域数学模型,实验研究了激光声信号的频域能量分布,以及激光器重复频率和激光声信号频谱特性的关系。结果表明: 激光声信号能量主要集中在200 kHz内,其中100~200 kHz内的能量所占比例约50%。激光声信号的幅频响应极大值点可以受到激光器重复频率的控制。
激光技术 激光声 光击穿 频谱特性 声信号 laser technology laser-induced acoustic signals optical breakdown spectrum characteristics acoustic signals
建立了激光声实验测量系统, 利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号。由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器, 计算出声信号能量。对不同激光能量、激光聚焦位置和水体盐度下的光声能量转换效率进行了理论和实验研究。研究结果表明:随着激光能量的提高, 能量转换效率逐渐减小; 激光垂直水面入射时, 随着激光聚焦深度的增加, 能量转换效率会出现一次阶跃式变大, 随后逐渐降低; 等离子体对激光能量的吸收越充分, 能量转换效率越高; 水体盐度的变化对能量转换效率影响很小。
激光技术 激光声 光击穿 光声能量转换效率 声信号 laser technology laser-induced acoustic signals optical breakdown laser acoustic energy conversion efficiency acoustic signals